M12 goes Power

Höhere Leistungsdichte für M12-Power-Steckverbinder

Mit der Erweiterung der Rundsteckverbinderserie M12 um Varianten zur Leistungsübertragung und deren bevorstehende IEC-Standardisierung geht die Miniaturisierung in der Automatisierungstechnik in ihre nächste Runde. Der DKE-Arbeitskreis 651.1.1 hatte in den vergangenen Jahren den Ausbau der weit verbreiteten M12-Steckerfamilie voran getrieben, diverse Kodierungen für Power-Anwendungen definiert und im Standard IEC61076-2-111/Ed 1 CD ausführlich beschrieben.
Damit verringert sich die Steckergröße bei gleicher Leistungsdichte ein weiteres Mal auf verblüffend kleine Dimensionen. Dem Plug&Play-Gedanken (Connectivity) eröffnen sich dadurch neue Applikationen und Einsatzmöglichkeiten, wo zuvor beengter Bauraum kein Platz für Steckverbindungen ließen. In der Automatisierungstechnik, in der M12-Rundsteckverbinder bis dato hauptsächlich als Sensorsteckverbinder zur Signalübertagung eingesetzt wurden, spielten thermische Rahmenbedingungen und Energieeffizienz für dieses Stecksystem bisher eine eher untergeordnete Rolle. Die Zulassung der Verbindungskomponenten bis zu einer Maximaltemperatur von 85°C war meist mehr als ausreichend, Ströme bis maximal 4A stellten in dieser Hinsicht keine wirkliche Herausforderung dar. Doch mit der Programmerweiterung in Richtung Leistungsübertragung ändern sich die Systemanforderungen dramatisch. Denn mit einer Nennspannung von 630V und einem Nennstrom von 16A eignet sich gerade die M12-PowerKodierung K durchaus für die Antriebstechnik und damit für den Einsatz am Servomotor. Und dort kann es heiß hergehen: Umgebungstemperaturen von 100°C oder gar darüber sind keine Seltenheit. Für Stecksysteme, die in diesem Umfeld Verwendung finden sollen, ist ein Temperaturbereich von bis zu 125° ein Muss.

Neue Werkstoffe und Designs

Um diesen Spagat zwischen minimierter Bauform M12 auf der einen und thermoelektrischem Anspruch auf der anderen Seite zu schaffen, ist der Einsatz neuer Werkstoffe und Designs folglich zwingend notwendig. Seitens des Kontaktträgers musste daher ein thermisch beständiges und formstabiles Material gewählt werden, welches auch in der Lage ist, die gesteigerten geometrischen Herausforderungen zu meistern. Ungleich größer war die Herausforderung an das eigentliche Kontaktsystem, an die Stifte und Buchsen des M12-Powersteckers. Hohe Stromtragfähigkeit, Festigkeiten, kleinste Abmessungen, Alterungsverhalten, Übergangswiderstände, Verarbeitbarkeit oder Umformverhalten sind in dem Zusammenhang Kriterien, die teilweise in Wechselwirkung zueinander stehen bzw. stark divergieren. Schließlich konnten jedoch durch zahlreiche Simulationen (FEM) und Versuchsreihen Werkstoffe und Kontaktgeometrien entwickelt werden, die den technischen Anforderungen auch in Langzeittest entsprechen. Dieses optimierte Zusammenspiel von Kontaktträger und -system wirkt sich positiv auf das Derating-Verhalten aus, das gemäß DIN EN60512 das Strom-Temperatur-Verhalten des Stecksystems beschreibt.

Größere Aderquerschnitte

Neben den mit TPE-umspritzten Ausführungen der M12-Power-Steckverbinder mit Anschlusskabeln sind gerade im Maschinen- und Anlagenbau frei konfektionierbare Varianten nicht weg zu denken. Sie sind in allen gängigen Gehäusebauformen verfügbar, ermöglichen Flexibilität im Feld und garantieren Verfügbarkeit bei der Systeminstallation. Doch parallel zu den elektrischen Anforderungen wirkt sich die hohe Leistungsübertragung des M12-Power-Stecksystems in logischer Konsequenz auch auf die mechanischen Belastungen aus. Zuerst einmal bedeutet eine höhere Stromübertragung, dass größere Aderquerschnitte notwendig sind und größere Kabel eingesetzt werden. Sind es bei den Kodierungen S und T noch 1,5mm²-Adern so bieten die beiden Kodierungen K und L sogar die Möglichkeit, Querschnitte bis zu 2,5mm² anzuschließen. Neue Generationen frei konfektionierbarer M12-Power-Steckverbinder sind daher in der Lage, Kabel bis 11mm und nicht wie bisher, nur bis 9mm Außendurchmesser aufzunehmen. Gleichzeitig wird der erforderlichen Robustheit der Stecker dadurch Rechnung getragen, dass kein Kunststoffgehäuse, sondern stabile Metallvarianten eingesetzt werden. Sie widerstehen äußeren mechanischen Einflüssen und verkraften ein höheres Maß an Torsion der oftmals starren, schweren Kabel. Trotzdem liegen die Abmessungen weit unter den in der Bauartnorm definierten Grenzen.